飛地系統230MHz線性功放設計

顏川江

中國船舶重工集團第七二三研究所，江蘇揚州 225001

0 引言

飛地系統是一種把GSM信號移頻到低頻頻段中進行遠距離傳輸的系統。GSM頻段信號在近端有移頻模塊將頻率移至3M帶寬的230MHz頻段，在近端通過線性功放放大后經天線將信號發射出去，在遠端把信號還原于原GSM頻段，放大信號后覆蓋。飛地系統可以很有效解決城市頻率資源較為緊張的覆蓋區和多丘陵、多山、森林等地區的信號問題。由于其傳輸頻率工作比較低的頻段，電波的繞射能力比較強，根據菲涅爾半徑的計算公式菲涅爾半徑的計算公式：R=0.5（λD）0.5其中λ為波長，D為兩天線的距離，λ＝3×108 /f（m）。由此公式，我們可以看出，當頻率f固定時，菲涅爾半徑隨著傳輸距離的增加而增大。同時，當距離固定時，菲涅爾半徑隨著頻率的減小而增大。理論上230MHz的頻率能克服超過天線70m高的障礙物。因此，飛地系統可適合用于山區，丘陵，農村，以及一些地震，泥石流多發生地帶。

對于使用在近端230MHz頻段的功放，跟GSM信號一樣，對功放的線性要求同樣比較苛刻。功放為此系統的核心，所以它的線性和穩定性直接決定著系統的工作質量。

1 功率放大器( PA) 分析與設計

1.1 設計指標

本文以飛地系統的項目需要的微波功率放大器為實例，集中討論了PA 分析和設計的過程. 該放大器采用MW6S004N作為驅動放大管，MRF9060作為末級功放。設計的指標為：1）工作頻率為232MHz～235MHz ；2）1 dB 壓縮點輸出功率為60 W；3）功率增益35dB 以上；4）IMD3 （三階互調失真） 小于- 52dBc。

1.2 負載牽引法

由于廠家提供的MW6S004N 對應于頻率范圍為500MHz～3000MHz的S參數不能直接用來作為本次設計時的最佳源阻抗和負載阻抗.同樣MRF9060的930MHz～960MHz的輸入輸出阻抗不能作為設計的參數。所以本文采用負載牽引法來得到其在232MHz～235MHz的源阻抗和負載阻抗值。為了使2只功率放大管工作在最佳狀態下，并且充分發揮其潛力，對其負載牽引特性進行測量或仿真是必需的。負載牽引法，原理就是放大器在大信號電平激勵下，通過連續變換負載測試輸出功率，然后在SMITH阻抗圓圖上畫出等功率和等增益曲線。這樣就可以選擇適當的輸出阻抗準確地設計功率放大器，達到所需的增益和輸出功率。負載牽引技術可以由實際測量系統和高頻電路設計輔助軟件兩種方式實現，但是搭建一個負載牽引測量系統的成本相當之大，而且不易實現。本文采用ADS 軟件對上面所設計的功率放大器使用負載牽引（Loadpull）技術有規則的搜尋史密斯（Smith）圓圖上的每個區域，確定最佳負載的阻抗值。國內外對這一方面也做很多的研究工作。同時，為了考慮到線性度和效率，我們采用了雙音頻負載牽引，這樣就可以兼顧功率，效率和線性.本文中用Agilent ADS 軟件來完成MW 6S004N和MRF9060 在232MHz～235MHz的源阻抗ZS 和負載阻抗ZL 的測試。負載牽引結果如圖3所示，同一條等高線代表的是相同的輸出功率，越趨向于中心點，輸出功率越大，最中心點為最大輸出功率，這是一個不斷收斂的過程。為綜合考慮輸出功率、效率和線性，最終得出MW6S004N最佳負載阻抗值ZL= 0. 54 - j2.67 ，ZS = 1.24 - j4.25。同理可得MRF9060的最佳阻抗為ZL= 0.78 - j5.34， ZL= 0. 32 - j3.52下面我們就可以用得到的ZS 和ZL 來進行匹配網絡設計。

1. 3 優化輸入/輸出匹配網絡

在設計輸入阻抗匹配電路時需要考慮穩定、增益、增益平坦、輸入駐波比等，在輸出匹配電路設計時需要考慮諧波抑制、輸出駐波比、損耗等，在設計輸出匹配電路之前，要仔細分析是按最大功率輸出還是額度功率輸出來選擇輸出阻抗參數，以便于得到需要的輸出功率。在設計中，選擇微帶和電容組合的混合匹配電路，電路結構為n 個Γ 型電路串聯而成 。滿足最大增益的情況下，輸出為4 235dBm。利用ADS的匹配優化，最終得出微帶與電容的組合匹配。

2.功率放大器IM 3和IM 5的測試及優化

項目要求設計的功率放大器工作頻段為230 MHz ，增益大于35 dB ，端口駐波比小于1. 5 ，輸出功率大于41 dBm ，增益平坦度為±0.5dB。為了達到設計要求，采用兩級放大形式，前級放大器采用LDMOS場效應管MW6S004N ，中間進行電容匹配以及預留一個3 dB的阻衰減器，用以調節兩級放大管之間的駐波比，衰減器要考慮驅動級的輸出線性度。末級采用飛思卡爾公司的場效應晶體管MRF9060 。

將匹配優化后的原理圖另存后，然后刪除所有的控件，Term及電源，用Port代替，建立模型，然后插入HB2TonePAE_Pswp模板。在原理圖中執行菜單命令。將所有的參數設置后，進行仿真，從得出的出書IM3和IM5圖中，我們可以根據需要適當的優化。最終將電路的原理設計完畢創建電路的印制電路板圖了。

3 結論

本文采用 ADS 軟件仿真優化設計了用于飛地系統的230MHz輸出功率13W 的功率放大器，通過ADS負載牽引尋找出放大器的最佳源阻抗和負載阻抗、進行了放大器的輸入輸出匹配，以及IM3和IM5的仿真，最后倒出印刷電路板，經過測試得出了正確的設計方案。